Геомагнетизм и аэрономия, 2022, T. 62, № 6, стр. 683-692

1. ВВЕДЕНИЕ

О существовании областей сжатия и разрежения на границах быстрых и медленных потоков в солнечном ветре стало известно уже после первых межпланетных миссий в 1960-ых годах (в первую очередь IMP-1, Mariner 2). Качественно свойства областей были описаны в работах [Parker, 1965; Dessler, 1967; Carovillano and Siscoe, 1969]. В данных моделях использовалось предположение, что в солнечном ветре есть неоднородности, которые испытывают вариации с частотой вращения Солнца. Причины возникновения таких вариаций еще не были известны, но их существование к концу 1960-ых годов было подтверждено наблюдениями. Вскоре после открытия корональных дыр [Krieger et al., 1973 and references therein] была установлена связь между коротирующими потоками и корональными дырами. По данным многоспутниковых наблюдений (IMP-8, Pioneer-10, 11) удалось обнаружить, что вариации энергичных протонов происходят с частотой вращения Солнца. Сдвиг по времени детектирования на различных аппаратах соответствует моментам их пересечения с некоторой коротирующей с Солнцем спиралью. Причем основание спирали на Солнце расположено внутри корональной дыры [Barnes and Simpson, 1976].

Границы между быстрыми и медленными потоками назвали stream interaction regions (SIRs), причeм те из них, которые живут дольше одного оборота вокруг Солнца, называют corotating interaction regions (CIRs). Исторически, сначала было введено второе понятие, а потом классификация была усложнена. По современным представлениям, высокоскоростные потоки из корональных дыр (ВПКД) представляют собой огромные магнитные и плазменные трубы, исходящие из корональных дыр и опускающиеся на низкие широты вдали от Солнца [Khabarova et al., 2021a]. SIRs/ CIRs выступают в роли их границ.

После того, как ВПКД были обнаружены, исследователи стали задаваться вопросами о природе их спиральной формы и коротации с источником. В течение более чем 20 лет сосуществовали две точки зрения. Первая – ВПКД представляют собой волновые возмущения, вызванные нестационарными эффектами вблизи Солнца. Вторая – ВПКД – это коротирующие струи плазмы. В последнем случае речь идeт о коротации составляющих плазму частиц и, как следствие, возникновении коротации ВПКД как совокупности частиц. Первая точка зрения является развитием моделей коротирующих потоков 1960-ых и начала 70-ых годов [Parker, 1965; Dessler, 1967; Carovillano and Siscoe, 1969, Hundhusen, 1973]. Еe также поддержало открытие Бурлаги [Burlaga, 1983]. Было показано на основе анализа данных Voyager-1, 2, что есть связь между коротирующими потоками и волнами полного давления: 2nT + B²/8π, где n – концентрация плазмы, T – температура, B – модуль магнитного поля. Далее Бурлага совместно с Клейном построили модель, иллюстрирующую распространение спиральных волн давления в гелиосфере [Burlaga and Klein, 1986]. Модель не отвечала на вопрос о том, как эти волны возникают, но описывала наблюдения, в частности, распространение прямой и обратной ударных волн на границах ВПКД. Авторы предполагали, что волны возникают из-за взаимодействия быстрого и медленного потоков вблизи Солнца и, в этом смысле, являются динамическими структурами. Далее волны распространялись без изменений, а из-за сложения волн, выпущенных вращающимся источником, формировалась спираль. Механизм образования волн оставался не ясным. В то же время, наличие волн было необязательным для формирования спиральной коротирующей структуры. В цикле работ Пиззо с соавторами [Pizzo, 1978, 1980, 1982, 1991; Pizzo and Gosling 1994] были построены численные МГД-модели, в большей части из которых ударные волны учитывались. Как следствие неоднородных по направлению граничных условий, были получены решения, в которых возмущения в гелиосфере коротировали с Солнцем и могли образовывать спирали. Однако, изучение природы ВПКД и механизма их коротации не было основной целью моделирования. Поэтому причинам, по которым численные решения обладали указанными свойствами, почти не уделялось внимание. В обзоре [Gosling and Pizzo, 1999] было упомянуто, что ВПКД можно интерпретировать как динамические структуры, образованные частицами, выпущенными в разные моменты времени и разных областей Солнца. Вероятно, часть авторов придерживалась данной точки зрения и раньше, но она не была ранее сформулирована чeтко. Вскоре основное внимание было привлечено к другой интерпретации ВПКД. По результатам работ [Geiss, 1995; Wimmer-Schweingruber, 1997] было показано, что в SIRs/CIRs соотношения концентраций многозарядных ионов (O ⁷⁺/O⁶⁺, Mg/O и других) меняются также, как при переходе от быстрого к медленному солнечному ветру. Поскольку данные соотношения определяются условиями в короне, был сделан вывод, что ВПКД – это коротирующие струи плазмы из корональных дыр. Иными словами, был сделан выбор в пользу второй интерпретации. При этом ВПКД как динамическая структура, т.е. образованная взаимодействием волн, продолжала рассматриваться при изучении эволюции фронтов ударных волн [Richardson, 2018].

Таким образом, в настоящее время ВПКД интерпретируется как поток вещества, который физически, подобно стрелке часов, вращается вокруг Солнца, коротируя с корональной дырой-источником, и закручиваясь в спираль. Формально, в МГД-моделях коротация и спиральная форма потока получаются как следствие граничных условий. Но в большинстве современных работ не уделяется внимание тому, что именно коротирует с источником – вещество или структура. Однако, для понимания природы ВПКД этот вопрос важен. Как мы ниже покажем, плазма и границы между быстрыми и медленными потоками вращаются вокруг Солнца с отличающимся по порядку величины скоростями. Поэтому распространенная интерпретация ВПКД не вполне корректна. В данной работе мы показываем, что коротация ВПКД и корональной дыры, а также спиральная форма ВПКД могут быть объяснены в рамках кинематики. Иными словами, предложена новая интерпретация ВПКД.

2. НАБЛЮДЕНИЯ. ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ КОРОТИРУЮЩИЙ ПОТОК ИЗ КОРОНАЛЬНОЙ ДЫРЫ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ПРЕДСТАВЛЕН КАК СТРУЯ ПЛАЗМЫ, КОРОТИРУЮЩАЯ С ИСТОЧНИКОМ НА СОЛНЦЕ

Точка зрения, согласно которой ВПКД представляет собой единый поток из частиц, коротирующих с источником на Солнце, противоречит наблюдениям. Для того чтобы это показать, сравним скорости вращения вокруг Солнца плазмы внутри ВПКД и самого ВПКД.

Как говорилось во введении, существует ряд работ, в которых сделаны оценки угловой скорости ВПКД [Krieger et al., 1973; Burlaga, 1983; Lee, 2000; Crooker et al., 2004; Bochsler et al., 2010]. Все они показывают, что ВПКД как целое коротирует с Солнцем, т.е. его угловая скорость близка к 2.865 × 10^–6 рад/с [Carrington, 1863]. В частности, угловая скорость ВПКД может быть оценена по движению stream interface (SI). SI выступает в роли границы ВПКД и разделяет области быстрого и медленного солнечного ветра. В работе [Khabarova et al., 2021b] были выделены последовательные пересечения одного и того же SI аппаратами ACE и STEREO A. Средняя угловая скорость ВПКД была оценена по разности времен прихода SI на аппараты и составила 3.243 × 10^–6 рад/с. Иными словами, ВПКД может вращаться несколько быстрее, чем Солнце на широте источника. В этом нет ничего удивительного. Наблюдения движения корональных дыр на Солнце показывают, что они могут иметь угловую скорость выше на 10–20%, чем у окружающей плазмы [Insley et al., 1995].

Оценка ω = 3.243 × 10^–6 рад/с – угловая скорость структурного элемента ВПКД. Ей соответствует линейная скорость движения ВПКД в азимутальном направлении v_φ = ω (1 AU) ≈ 500 км/с. Стоит отметить, что произведение угловой скорости Солнца и 1 AU превышает 400 км/с.

Если допустить, что 400 или 500 км/с – это скорость движения вещества в азимутальном направлении, то это фантастически большая величина. Типичные значения азимутальной компоненты скорости солнечного ветра на 1 AU – это единицы или десятки км/с [Hundhausen, 1968; Pizzo et al., 1983]. На рисунке 1 показаны значения тангенциальной составляющей скорости солнечного ветра в системе координат RTN по минутным данным аппарата ACE. Рассмотрен период времени до и после пересечения SI из работы [Khabarova et al., 2021b]. Азимутальная v_φ и тангенциальная V_t компоненты скорости в RTN совпадают. Данные ACE за различные периоды времени находятся в свободном доступе по ссылке https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/index.html/. Как можно видеть из рис. 1, величина тангенциальной компоненты скорости V_t варьируется от –60 до 60 км/с. Среднее значение V_t равно –12.1 км/с (против направления вращения Солнца), средний модуль V_t равен 18.1 км/с. Таким образом V_t $ \ll $ 500 км/с всюду, как снаружи, так и внутри ВПКД. Иными словами, движение плазмы и ВПКД как целого в одних и тех же точках пространства существенно различается. Поэтому ВПКД на 1 AU не может быть представлен как единый коротирующий поток, состоящий из одних и тех же частиц.

Рис. 1.

Тангенциальная компонента скорости V_t солнечного ветра с 24.06.2010 0.00 по 05.07.2010 0.00. Минутные данные ACE, система координат RTN. Стрелка показывает момент пересечения Stream Interface (SI) на переднем крае потока. Указаны средние значения V_t и средний модуль: 〈V_t〉 и 〈|V_t|〉.

Вне 1 AU последний вывод остаeтся верным для больших r, пока сохраняется коротация ВПКД. Также он верен для тех расстояний в пределах 1 AU, на которых величина ω r превышает азимутальную компоненту скорости плазмы. Считается, что в солнечном ветре коротация плазмы с Солнцем нарушается за пределами альфвеновской поверхности, которая в большинстве моделей расположена на 10–20 радиусах Солнца (0.05–0.1 AU, [Fahr and Fichtner, 1991]). Вероятно, на малых расстояниях ВПКД может двигаться как твeрдое тело.

Как было сказано во введении, ВПКД не может быть представлен только как волна давления. Поскольку движение ВПКД не совпадает с движением входящей в него плазмы, он не является материальным объектом. Возникает противоречие. Не понятно, каким образом ВПКД коротирует с Солнцем и какова его природа. Ниже мы предлагаем решение данной проблемы.

3. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КОРОТАЦИИ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОТОКОВ ИЗ КОРОНАЛЬНЫХ ДЫР (ВПКД) С СОЛНЦЕМ

3.1. Кинематическая модель ВПКД

Всякий, кто видел вращающийся садовый разбрызгиватель, знает, что струи воды при разлете образуют спирали. Причина их формирования – наличие у капель азимутальной компоненты скорости. Если пренебречь сопротивлением воздуха, она не будет зависеть от расстояния до разбрызгивателя. Тогда угловая скорость капель окажется обратно пропорциональной расстоянию. При этом наблюдатель (например, цветок) будет попадать под брызги с частотой вращения разбрызгивателя, не зависящей от расстояния и умноженной на число струй. Иными словами, частоты прихода возмущений и частоты вращения вещества могут отличаться по причине вращения источника без присутствия каких-либо динамических эффектов. В отличие от примера с лейкой, потоки солнечного ветра распространяются во всех направлениях, хоть и с разной скоростью, и могут участвовать в сложных взаимодействиях друг с другом. Тем не менее, остается принципиальный вопрос – являются ли динамические эффекты причиной формирования спирального возмущения и его коротации? Для того чтобы на него ответить, можно исследовать упрощенную модель распространения потоков вещества из корональной дыры, не учитывающую какие-либо динамические эффекты.

Рассмотрим двумерную задачу в цилиндрических координатах (r, φ) в плоскости, перпендикулярной оси вращения Солнца. Пусть имеется корональная дыра с угловой шириной ∆φ, и она является источником плазмы с радиально направленной скоростью v относительно Солнца, вращающегося с частотой ω. Пусть в инерциальной системе отсчета каждый элемент жидкости движется с постоянной скоростью равномерно и прямолинейно, не испытывая каких-либо внешних воздействий.

При сделанных предположениях межпланетное пространство представляет собой линейную среду. Если на вход с источника на Солнце подается некоторая функция f_in, например концентрация, то в каждой точке, где есть наблюдатель, в каждый момент времени будет измерена функция f_out. Значения f_in и f_out связаны между собой посредством свертки:

(1)

$\begin{gathered} {{f}_{{{\text{out}}}}}(r,\varphi ,t) = \\ = \int\limits_{ - \infty }^\infty {{{f}_{{{\text{in}}}}}} (r{\kern 1pt} ',\varphi {\kern 1pt} ',t{\kern 1pt} ')g(r - r{\kern 1pt} ',\varphi - \varphi {\kern 1pt} ',t - t{\kern 1pt} ')dr{\kern 1pt} 'd\varphi {\kern 1pt} 'dt{\kern 1pt} ', \\ \end{gathered} $

где g – функция распространения, представляющая собой результат измерения поданного на вход δ-импульса (в теории сигналов также называется аппаратной функцией). Выражение (1) фактически описывает сложение серии поданных на вход сигналов f_in с разными весовыми коэффициентами g. Найдeм функцию распространения в рамках модели. В качестве δ-сигнала рассмотрим дугообразный выброс вещества со скоростью v, произошедший в момент времени t₀ = 0 на расстоянии r = r₀ от центра Солнца. Такой сигнал имеет вид

(2)

${{f}_{{0 - {\text{in}}}}} = \frac{1}{2}{{A}_{0}}\delta (r - {{r}_{0}})\delta (t - {{t}_{0}})(\theta (\varphi ) + \theta (\Delta \varphi - \varphi )),$

где θ – ступенчатая функция Хевисайда. Комбинация ступенчатых функций задаeт коротацию элементов плазмы в начальный момент времени и конечный размер источника. Поскольку (2) – аналог δ-сигнала, интеграл от него должен быть равен 1, поэтому A₀ = 1/∆φ. При свободном прямолинейном движении со скоростью (v, ωr₀) дугообразный выброс преобразуется в

(3)

$\begin{gathered} {{f}_{{0 - {\text{out}}}}} = \frac{1}{2}A\delta \left( {r - {{r}_{0}} - {v}\left( {\varphi - \frac{{\omega {{r}_{0}}}}{r}t} \right)t} \right) \times \\ \times \,\,\left( {\theta \left( {\varphi - \frac{{\omega {{r}_{0}}}}{r}t} \right) + \theta \left( {\Delta \varphi - \varphi + \frac{{\omega {{r}_{0}}}}{r}t} \right)} \right), \\ \end{gathered} $

где ωr₀/r – угловая скорость на расстоянии r, A – амплитуда, $v\left( {\varphi - \frac{{\omega {{r}_{0}}}}{r}t} \right)$ – скорость плазмы внутри корональной дыры в том направлении, откуда был испущен пришедший в точку наблюдения элемент плазмы. Отметим, что A может зависеть от r, однако учет этого факта тривиален и не влияет на дальнейшие рассуждения. Вместе с тем выбор A(r) требует дополнительных предположений. Например, если f – это концентрация, то может потребоваться рассмотреть закон сохранения вещества. Мы этот момент не конкретизируем и сосредотачиваемся на остальных сомножителях.

С помощью (1–3) можно найти аппаратную функцию.

(4)

$g({{r}^{1}},{{\varphi }^{1}},{{t}^{1}}) = \frac{A}{{{{A}_{0}}}}\delta ({{r}^{1}} - {v}(\varphi - {{\varphi }^{1}}){{t}^{1}})\delta \left( {{{\varphi }^{1}} - \frac{{\omega {{r}_{0}}}}{{{{r}^{1}} + {{r}_{0}}}}{{t}^{1}}} \right).$

Во избежание недоразумений отметим, что в формуле (4) все скобки подразумевают зависимость от аргумента, а не умножение. Под углом φ следует понимать направление на наблюдателя. Если в (3) имеется A(r), то в (4) будет входить A(r¹ + r₀). Теперь рассмотрим источник внутри корональной дыры более общего вида

(5)

$\begin{gathered} {{f}_{{{\text{in}}}}} = \frac{1}{2}{{A}_{0}}{{F}_{0}}(\varphi - \omega t)\delta (r - {{r}_{0}}) \times \\ \times \,\,(\theta (\varphi - \omega t) + \theta (\Delta \varphi - (\varphi - \omega t))), \\ \end{gathered} $

где F₀ описывает неоднородное распределение по углу исследуемой величины в корональной дыре. Функции Хевисайда и F₀ зависят от φ – ωt. Тем самым учитывается вращение корональной дыры. Источник предполагается непрерывным во времени, но по прежнему локализован на расстоянии r₀ от центра Солнца. Пусть для простоты v = = const. Тогда на выходе получим наблюдаемую величину

(6)

${{f}_{{{\text{out}}}}} = \frac{1}{2}A{{F}_{0}}({{\varphi }_{1}})(\theta ({{\varphi }_{1}}) + \theta (\Delta \varphi - {{\varphi }_{1}})),$

где φ₁ – фаза возмущения, равная

(7)

${{\varphi }_{1}} = \varphi - \omega t - \frac{{\omega {{r}_{0}}}}{r}\frac{{r - {{r}_{0}}}}{{v}} + \omega \frac{{r - {{r}_{0}}}}{{v}}.$

В случае если v зависит от φ, следует вместо (r – ‒ r₀)/v подставить в формулу (7) решение уравнения

(8)

$r - {{r}_{0}} = {v}\left( {\varphi - \frac{{\omega {{r}_{0}}}}{r}t} \right)t$

относительно t.

Рассмотрим, что представляют собой поверхности равной фазы в (7).

1) Пусть φ₁ и r фиксированы. Тогда выражение (7) примет вид $\varphi - \omega t = {\text{const}}$, что соответствует вращению фазовой поверхности с частотой источника возмущений, равной ω. Иными словами, фазовая поверхность коротирует с источником.

2) Пусть φ₁ и t фиксированы. Тогда из (7) будет следовать уравнение, описывающее форму фазовой поверхности

(9)

$\varphi - \omega \frac{{r - {{r}_{0}}}}{{v}}\left( {1 - \frac{{{{r}_{0}}}}{r}} \right) = {\text{const}}.$

Формула (9) описывает спираль, при r $ \gg $ r₀ совпадающую с Архимедовой. Отметим, что в модели нет магнитного поля, поэтому существование данной спирали никак не связано с наличием спирали Паркера. У нас спираль (9) возникает из-за сложения (1) последовательных дугообразных выбросов плазмы из вращающейся корональной дыры (5). Кроме того, спираль магнитного поля и спираль (9) могут не совпадать вблизи Солнца.

3) Пусть φ₁ фиксировано, t = (r – r₀)/v. Иными словами, мы наблюдаем за вращением элемента плазмы, пришедшего в данный момент времени в точку наблюдения r. Из (7) получим $\varphi - \frac{{\omega {{r}_{0}}}}{r}t = {\text{const}}$, что соответствует вращению с частотой ωr₀/r и постоянной азимутальной компонентой скорости ωr₀. Иными словами, частицы, как и заложено в модель, движутся преимущественно радиально (рисунок 2). Действительно, скорость быстрого солнечного ветра составляет 450–900 км/с, а ωr₀ = 2 км/с на уровне фотосферы или ωr₀ = 20 км/с, если r₀ ≈ 10 солнечных радиусов.

Рис. 2.

Схематическое представление траекторий частиц в модели (красные стрелки) и областей пространства, в которых в фиксированный момент времени находятся частицы, испущенные из одной и той же области корональной дыры в разные моменты времени (синие спирали). Например, частица, расположенная в точке А, была выпущена тогда, когда ее источник располагался в точке A'. Аналогично связаны точки B и B'. Инерциальная система отсчета. Ось вращения Солнца направлена на читателя.

Рисунок 2 позволяет лучше понять разницу между “коротирующими струями плазмы” и “коротацией структуры”. Красные стрелки на рисунке 2 показывают траекторию частиц солнечного ветра в модели. Как видно, они движутся радиально. Синие спирали соответствуют областям, в которых в фиксированный момент времени находятся частицы, вышедшие из одной и той же части корональной дыры. В каждый последующий момент времени синяя спираль поворачивается вокруг оси Солнца с угловой скоростью корональной дыры. Скорость солнечного ветра в модели зависит только от источника – корональная дыра, или невозмущенные области Солнца. Это значит, что в каждый момент времени частицы, вышедшие из корональной дыры, образуют рукав. Этот рукав отличается от окружающего солнечного ветра более высокой радиальной компонентой скорости плазмы и более низкой плот-ностью. Таким образом, вращение спиралей – это вращение возмущений параметров солнечного ветра. Коротацию этих возмущений с источником на Солнце мы называем “коротацией структуры”. “Коротацией потоков” мы называем воображаемую ситуацию, когда поток из корональной дыры на расстояниях порядка 1 AU вращается вокруг Солнца как твердое тело. Как показано, выше, такая точка зрения противоречит наблюдениям. Тем не менее, она в явной или неявной форме часто встречается в литературе.

3.2. Обсуждение кинематической модели

В уравнениях (5)–(9) мы учитываем только плазму, исходящую из корональной дыры. Однако не составляет труда учесть окружающий солнечный ветер. Поскольку модель линейная, то к неизотропному источнику (5) можно добавить ещe один:

(10)

${{f}_{{{\text{in}}\_1}}} = \frac{1}{2}{{A}_{0}}{{F}_{1}}(\varphi - \omega t)\delta (r - {{r}_{0}}),$

которому будет соответствовать

(11)

${{f}_{{{\text{out}}\_1}}} = A{{F}_{1}}({{\varphi }_{1}}),$

где φ₁ определено выше. В случае F₁ = const мы получим изотропный фон, соответствующий невозмущенному солнечному ветру. В случае, если F₁ – комбинация нескольких источников вида (5) с различными ширинами ∆φ и границами областей, мы получим несколько корональных дыр и потоков из них. В реальности число ВПКД на низких гелиоширотах почти всегда четно (Richardson, 2018).

Выражения (10) и (11) в линейной комбинации с (2) и (6) позволяют учесть не только высокоскоростной поток из корональной дыры, но и изотропный невозмущенный солнечный ветер с ненулевой скоростью. Таким образом, в задаче задается граничное условие не только на концентрацию, но и на скорость солнечного ветра как внутри источника высокоскоростного потока, так вне него. Граничное условие на скорость плазмы обязательно, поскольку оно входит в функцию распространения (5). Наличие неоднородности скорости в модели является необходимым для получения коротирующей спиральной структуры. Данный факт согласуется с наблюдениями, согласно которым, если есть неоднородность скорости плазмы в области источника, то уже на 10 радиусах Солнца начинает формироваться спиральная структура ВПКД [Ефимов и др., 2021].

Покажем пример вычисления с двумя потоками – быстрым из корональной дыры и медленным изотропным в остальных направлениях. На рисунке 3 показана плотность плазмы в произвольных единицах в плоскости, перпендикулярной оси вращения Солнца (направлена на читателя, Солнце в центре). В качестве F₁ в (10), (11) выбрана функция sin(φ₁), где φ₁ = –ωt + 2φ + ωr/v + + 0.25π – модифицированная форма (7). Она соответствует наличию двух одинаковых потоков (коэффициент 2 перед φ в формуле), величине r₀ = 0 (большие расстояния от Солнца), v = 400 км/с, размер области с визуализацией 4 AU × 4 AU. Выбран момент времени t = 0. Решение описывает типичное возмущение плотности, имеющее форму спирали. Зависимость амплитуды плотности от расстояния в формуле (11) не учитывалась в демонстрационных целях. Возмущения плотности данного вида были ранее получены в ряде работ на основе других предположений (Burlaga and Klein 1986), либо в рамках полных МГД-моделей [Pizzo, 1978, 1980, 1982, 1991; Odstrčil, 2003 и обобщения].

Рис. 3.

Плотность плазмы, произвольные единицы измерения. Различными цветами отмечены чередующиеся области сжатия и разрежения. Показана плоскость, перпендикулярная оси вращения Солнца (направлена на читателя, Солнце в центре). Размер области моделирования равен 4 AU × 4 AU.

Рассмотрим, как в модели возникают коротирующие спиральные возмущения. Корональная дыра вращается синхронно с Солнцем. В каждый момент времени она выбрасывает плазму в сектор шириной ∆φ. Каждый выброс представляет собой веер из элементов жидкости. Если мы зафиксируем в каждой последовательности выбросов элемент, отвечающий центру “веера”, то это будут элементы, характеризующиеся одинаковым значением величины f (плотности или скорости) и положением относительно корональной дыры в момент испускания. Поэтому линия, соединяющая выбранные элементы, может быть представлена как поверхность равной фазы (7). При этом те выбросы, которые были выпущены из корональной дыры позже, успеют пройти меньший путь и стартуют с большего значения угла φ из-за вращения Солнца (рис. 4). Таким образом поверхность равной фазы должна представлять собой спираль, закрученную против направления вращения источника (рис. 3, 4 и формула (8)). Именно это описывает измеряемая функция (6) с фазой (7), а также функция (11).

Рис. 4.

Схематически показано формирование спирали различными струями вещества, выпущенными в различные моменты времени (0, dt, 2dt). CH – положение корональной дыры. Длина стрелок соответствует пути, пройденному элементом плазмы. Штриховой линией отмечена часть спирали.

Отметим, что при смещении серии выбросов на произвольное время ∆t картина не изменится, если корональная дыра имеет неизменные свойства. Серия выбросов, смещенных на время ∆t, образует аналогичную спираль. Поэтому можно наблюдать коротацию спирали с источником.

Аналогично возникает спиральная волна при сложении цилиндрических или сферических волн от движущегося по замкнутой траектории источника. Отличие от примера с разбрызгивателем здесь в непрерывности потока и в характерных значениях соотношений между азимутальными ωr₀ и радиальными v проекциями скорости брызг/потоков плазмы.

Как мы видим, спираль ВПКД представляет собой совокупность независимых струй (рис. 4). Она образована в каждой точке частицами, выпущенными в различные моменты времени и, как правило, из различных точек. Т.е. ВПКД – это не единый поток с фиксированным набором частиц. С другой стороны, все частицы, составляющие фазовую поверхность (спираль) вышли из одной и той же корональной дыры, причем из одной и той же ее области. Таким образом модель объясняет данные, согласно которым соотношения содержаний высокозарядных ионов (O⁷⁺/O ⁶⁺и другие, [Lepri et al., 2013; Zhao et al., 2016]) такие же, как в корональных дырах.

4. ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Данная работа посвящена изучению природы коротирующих высокоскоростных потоков из корональных дыр (ВПКД). Подытожим полученные результаты.

1. Предложена кинематическая интерпретация ВПКД. Показано, что наличие коротации высокоскоростных потоков из корональных дыр с Солнцем и их спиральная форма могут быть объяснены в рамках кинематики без привлечения гидродинамики или магнитной гидродинамики.

2. Историческое представление о ВПКД как о потоках вещества, полностью коротирующих с источником на Солнце как единое целое, противоречит наблюдениям. На 1 AU плазма, находящаяся в каждый момент времени внутри или вблизи ВПКД, вращается вокруг Солнца в десятки раз медленнее, чем сам ВПКД. В рамках кинематической интерпретации данный факт не приводит к противоречиям.

3. ВПКД состоят в каждый момент времени из разных частиц, выпущенных одним и тем же вращающимся источником на Солнце в отличающихся направлениях.

4. Кинематическая модель ВПКД не противоречит существованию спиральных волн давления и позволяет объяснить совпадение соотношений концентраций тяжелых ионов внутри ВПКД и внутри корональной дыры-источника.

Хотя существует немало моделей ВПКД, согласующихся с наблюдениями, при их построении не уделяется внимание значительному различию скоростей вращения плазмы вокруг Солнца и угловой скорости движения ВПКД. Несмотря на то, что данные о величине обеих скоростей известны, никто не пытался их сравнивать. Приведенные на рис. 1 значения угловой скорости плазмы ожидаемы, также как и то, что произведение 1 AU и угловой скорости Солнца превышает 400 км/с. Но сам факт того, что эти параметры различаются, заслуживает пристального внимания.

Когда заходит речь о движении и крупномасштабной структуре ВПКД, иногда из контекста не ясно, как именно авторы представляют его распространение. Часто речь идет о “вращении потока”. Также можно встретить рассуждения о том, как коротирующий с Солнцем SIR/CIR сталкивается с другой структурой сбоку (в нерадиальном направлении), ударяя еe словно хлыстом (см. обсуждение точки зрения в [Khabarova et al., 2016]). Данные представления неявно подразумевают, что ВПКД представляет собой единую струю. Как показано выше, это противоречит наблюдениям и может привести к ошибке в рассуждениях. Назначение новой кинематической модели – ясно продемонстрировать, что ВПКД и составляющие их структуры (SIR/CIR, SI и другие) – это объекты коллективной природы, в сущности той же, что пробки на дорогах или спиральные рукава галактик. Единственное, что нужно для их появления – это непрерывный и движущийся по финитной траектории источник возмущений.

С данной точки зрения вещество в солнечном ветре движется преимущественно радиально, в то время как на 1 AU поверхность, образованная частицами, вышедшей из одной и той же области корональной дыры, имеет форму спирали и коротирует с источником. Поэтому пример нерадиального столкновения некоторой структуры и ВПКД возможен либо из-за наличия ударных волн или сильных разрывов типа токового слоя, движущихся синхронно со спиралью, либо из-за нерадиальной ориентации препятствия, либо из-за искажения ВПКД другими потоками.

Поднятый вопрос взаимодействия ВПКД с другими объектами при боковом столкновении является непраздным. ВПКД могут представлять собой геоэффективные потоки. Как отмечалось в работах [Riley, 2007; Khabarova, 2007], долгое время составные части ВПКД, SIR/CIR, не учитывались при прогнозировании космической погоды. Самые сильные магнитные бури (до 93%) связаны с мощными корональными выбросами массы (КВМ). Вместе с тем, ВПКД являются более долгоживущими структурами, чем КВМ. Долгоживущие высокоширотные ВПКД могут оказывать длительное регулярное воздействие на магнитосферу в минимуме солнечной активности. А в максимуме солнечной активности низкоширотные ВПКД лежат вблизи плоскости эклиптики и взаимодействуют с магнитосферой почти наверняка. Как было показано лишь треть магнитных бурь связаны с КВМ [Gosling et al., 1991; Ермолаев и Ермолаев, 2009; Ермолаев и др., 2009]. В работах [Riley, 2007; Khabarova, 2007] было отмечено, что высокая геоэффективность ВПКД связана с особенностями их воздействия на магнитосферу. КВМ наносит более резкий удар при приходе фронта ударной волны, а вблизи SIR/CIR происходят большие по амплитуде вариации плотности и магнитного поля в ULF диапазоне, которые могут повышать геоэффективность высокоскоростного потока, предварительно раскачивая магнитосферу, попадая в резонанс с ее собственными частотами. Надеемся, кинематическая интерпретация ВПКД может послужить поводом для ускоренного развития прогнозов, основанных на большем, чем обычно, числе геоэффективных параметров.

Отметим, что КВМ являются основными источниками магнитных бурь в максимуме солнечной активности, а ВПКД – в минимуме [Riley, 2007; Khabarova and Rudenchik, 2002; Хабарова и Руденчик, 2003; Хабарова, 2003].

Примечательно, что в рамках приведенной кинематической модели не так важно, что собой представляет источник на Солнце. С тем же успехом можно рассмотреть вместо корональной дыры непрерывный поток солнечного ветра с зависящими от направления возмущениями. В этом случае можно аналогичным образом показать, что любые структуры в гелиосфере, поддерживаемые непрерывным источником на Солнце, могут коротировать с ним. Движение секторных границ, гелиосферного токового слоя и полярных токовых слоев [Khabarova et al., 2017] может быть изучено более подробно в будущем.